(57)【要約】【課題】  異なる材料を用いた鋳造を容易に行うことができる技術を提供する。【解決手段】  鋳造型４の成形キャビティ１０の下部に開口する下部注湯口９から、成形キャビティ１０の容量よりも少ない量の第１種類の材料の溶湯１６を成形キャビティ１０に注入し、この後に、成形キャビティ１０の上部に開口する上部注湯口７から、成形キャビティ１０が満たされる量の第２種類の材料の溶湯２２を、成形キャビティ１０に注入する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形キャビティの下部に開口する第１注湯口から、成形キャビティの容量よりも少ない量の第１種類の材料の溶湯を、成形キャビティに注入する第１注入工程と、
第１注入工程後、成形キャビティの上部に開口する第２注湯口から、成形キャビティが満たされる量の第２種類の材料の溶湯を、成形キャビティに注入する第２注入工程
を備える鋳造方法。
【請求項２】
第２注入工程後、第２注湯口を封止した状態で第１注湯口から第１種類の材料の溶湯を加圧注入し、成形キャビティ内を昇圧する昇圧工程をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項３】
前記昇圧工程後、成形キャビティ内の溶湯が凝固するまで、成形キャビティ内の圧力を維持する凝固工程をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の鋳造方法。
【請求項４】
前記第１注入工程と前記第２注入工程の間に、成形キャビティの未充填容量よりも少ない量の第３種類の材料の溶湯を、第２注湯口から成形キャビティに注入する第３注入工程をさらに含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の鋳造方法。
【請求項５】
成形キャビティの下部に開口する第１注湯口から、成形キャビティの容量よりも少ない量の第１種類の材料の溶湯を、成形キャビティに注入する第１注入手段と、
第１注入手段による注入後、成形キャビティの上部に開口する第２注湯口から、成形キャビティが満たされる量の第２種類の材料の溶湯を、成形キャビティに注入する第２注入手段
を備える鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種類の異なる複数の材料を用いて鋳物を鋳造する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
金型等の鋳造型を用いて、種類の異なる複数の材料を鋳造する場合がある。例えば、特許文献１では、鋳型の内部に固形部材を配置し、その固形部材とは別の材料からなる溶湯を鋳型内に加圧注入して鋳物を鋳造する。特許文献１の技術では、予め成形された固形部材の気孔に溶湯を含浸させて複合化することで、複数種類の材料を用いた鋳物を鋳造する。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１０３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したような固形部材を用いて鋳造を行う場合、固形部材を鋳型内に位置決めする必要がある。このために、固形部材に鋳型に対する位置決め部を設ける必要があり、これが鋳物の形状に対する制約となることがある。また、固体状部材と溶湯とを溶融密着させることは、それらの材料の種類の相違や熱容量の相違等により困難であり、これら材料の接合強度を向上させるための凹凸形状等を固形部材に設けなければならず、手間である。
上記の問題を鑑みて、本発明は、異なる材料を用いた鋳造を容易に行うことができる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る鋳造方法は、成形キャビティの下部に開口する第１注湯口から、成形キャビティの容量よりも少ない量の第１種類の材料の溶湯を、成形キャビティに注入する第１注入工程と、第１注入工程後、成形キャビティの上部に開口する第２注湯口から、成形キャビティが満たされる量の第２種類の材料の溶湯を、成形キャビティに注入する第２注入工程を備える。
【０００６】
上記の方法では、例えば、鋳造型の底部や下方側壁等の成形キャビティの下部に設けられている第１注湯口から第１種類の材料の溶湯を注入し、その後に、鋳造型の天井部や上方側壁等の成形キャビティの上部に設けられている第２注湯口から、第２種類の材料の溶湯を注入する。このとき、最初に注入される第１種類の材料の溶湯は成形キャビティの容量よりも少ない量であり、次いで、成形キャビティが満たされる量の第２種類の材料の溶湯が注入される。例えば、成形キャビティの容量の１／２程度の量の第１種類の材料の溶湯を注入してから、成形キャビティの容量の残量を満たす量の第２種類の材料の溶湯を注入することができる。上記の一連の工程によって、鋳造型の成形キャビティに注入された第１種類の材料の溶湯の液面上に第２種類の材料の溶湯が注入され、成形キャビティ内には第１種類の材料の層と第２種類の材料の層が重なって成層される。上記の工程によると、第１種類の材料と、第１種類の材料とは異なる第２種類の材料とからなる鋳物を鋳造することができる。
【０００７】
上記の鋳造方法は、第２注入工程後、第２注湯口を封止した状態で第１注湯口から第１種類の材料の溶湯を加圧注入し、成形キャビティ内を昇圧する昇圧工程をさらに備えていることが好ましい。
例えば、第１種類の材料と第２種類の材料の種類の相違等により、成形キャビティに注入した第１種類の材料と第２種類の材料の溶湯を密接に融着させることが困難な場合がある。第１材料と第２材料の接合強度が低くなってしまうと、鋳造する鋳物の強度が低下してしまうことがあり、好ましくない。上記の鋳造方法において、第２注入工程後に第１種類の材料の溶湯を圧力をかけながら再度注入することで、第１種類の材料と第２種類の材料をより強固に密着させて、鋳物の第１材料と第２材料の接合強度を強化することができる。
【０００８】
上記の鋳造方法は、昇圧工程後、成形キャビティ内の溶湯が凝固するまで、成形キャビティ内の圧力を維持する凝固工程をさらに含むことが好ましい。
成形キャビティに注入した溶湯が凝固する過程において、成形キャビティ内の材料の体積が減縮することがある。このようなことが起こると、第１材料と第２材料の接合強度が低くなってしまうという不具合に加えて、成形キャビティで設計された形状の鋳物を鋳造できないことがあり、好ましくない。上記の鋳造方法において、昇圧工程後に成形キャビティに注入された溶湯が凝固するまで圧力を維持することで、凝固の過程において減縮する材料とほぼ等量の第１種類の材料の溶湯を成形キャビティに注入することができる。凝固工程で徐々に注入される第１種類の材料の溶湯によって、第１材料の層が第２材料の層に押付けられ、より強固に密着した状態で第１材料と第２材料を接合させることができる。上記の方法によると、凝固過程で減縮する材料の容量を補うとともに、第１種類の材料と第２種類の材料の接合強度を強化することができる。
【０００９】
上記の鋳造方法は、第１注入工程と第２注入工程の間に、成形キャビティの未充填容量よりも少ない量の第３種類の材料の溶湯を、第２注湯口から成形キャビティに注入する第３注入工程をさらに含んでいてもよい。
例えば、成形キャビティの容量の１／２程度の量の第１種類の材料の溶湯を注入してから、成形キャビティの容量の残量（未充填容量）の１／２程度の量の第２種類の材料の溶湯を注入し、この後に、残りの未充填容量を満たす量の第２種類の材料の溶湯を注入することができる。上記の一連の工程によって、鋳造型の成形キャビティに注入された第１種類の材料の溶湯の液面上に第３種類の材料の溶湯が注入され、さらにその上に、第２種類の材料の溶湯が注入される。この方法によると、成形キャビティ内では第１種類の材料の層と第３種類の材料の層と第２種類の材料の層とが積層された鋳物が形成される。
【００１０】
上記の方法は、成形キャビティの下部に開口する第１注湯口から、成形キャビティの容量よりも少ない量の第１種類の材料の溶湯を、成形キャビティに注入する第１注入手段と、第１注入手段による注入後、成形キャビティの上部に開口する第２注湯口から、成形キャビティが満たされる量の第２種類の材料の溶湯を、成形キャビティに注入する第２注入手段を備える鋳造装置によって実現することができる。
上記の鋳造装置を用いて、第１注湯口から成形キャビティの容量よりも少ない量の第１種類の材料の溶湯を成形キャビティに注入し、その後に、第２注湯口から成形キャビティが満たされる量の第２種類の材料の溶湯を成形キャビティに注入することができる。この装置によると、第１種類の材料と、第１種類の材料とは異なる第２種類の材料とが積層された鋳物を容易に鋳造することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、予めいずれかの種類の材料について成形加工を行う必要がない。第１種類の材料と、第１種類の材料とは異なる第２種類の材料とからなる鋳物を容易に鋳造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明を実施するための最良の形態の主要な特徴を列記する。
（特徴１）  第１注入手段は、第１種類の材料の溶湯を貯湯する貯湯槽と、その貯湯槽と成形キャビティの第１注入孔とを接続している溶湯流路と、貯湯槽内の圧力を昇圧する加圧装置を備えている。第１注入手段は、貯湯槽内の圧力を昇圧することによって、貯湯槽内の溶湯を第１注入孔から成形キャビティへ注入する。
（特徴２）  第１注入手段の加圧装置は、加圧気体の供給源を備えており、貯湯槽に設けられた気体供給路を通じて、貯湯槽内に加圧気体を供給する。加圧気体の供給源は、例えば加圧ガスの供給源であるコンプレッサ、又は、第１種類の材料と反応を起こさない希ガスを加圧して貯留しているボンベ等とすることができる。
（特徴３）  第２種類の材料の溶湯は、第２注入口から成形キャビティへ重力によって注入される。
【実施例】
【００１３】
本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１に、本実施例の鋳造装置１の概略構成を示す。鋳造装置１は、鋳造型４を備える。鋳造型４には、上型６と下型８によって、成形キャビティ１０が形成されている。上型６の天井部には成形キャビティ１０と連通する上部注湯口７が形成されている。上部注湯口７の開口位置は、天井部に限定されない。成形キャビティ１０の設計に応じて、例えば上型６の側壁等に形成されていてもよい。下型８の底部には成形キャビティ１０と連通する下部注湯口９が形成されている。下部注湯口９の開口位置についても、底部に限定されない。成形キャビティ１０の設計に応じて、例えば下型８の側壁等に形成されていてもよい。また、鋳造型４には、成形キャビティ１０の周辺に、注入された材料を冷却する媒体を循環させるための冷却媒体流路が設けられていてもよい。
【００１４】
鋳造装置１は、さらに、第１種類の材料の溶湯１６を貯える貯湯槽であるるつぼ１２と、るつぼ１２を支持する保持炉１８を備えている。保持炉１８は図示しない加熱機構を備えており、るつぼ１２を加熱及び保温することができる。このため、るつぼ１２内に貯えられる第１種類の材料の溶湯１６を、適温で液状に維持することができる。また、るつぼ１２には、溶湯の流路となるストーク１４が設けられている。ストーク１４は、るつぼ１２の中央部に設けられており、その上端１４ａは鋳造型４の下部注湯口９と連通している。ストーク１４の下端１４ｂはるつぼ１２の底部近傍に底部と対向して配置されている。図１に示されるように、下端１４ｂは第１種類の材料の溶湯１６に浸されている。なお、本実施例において、第１種類の材料はアルミニウム合金である。しかしながら、第１種類の材料はこれに限定されない。鋳造品の設計に応じて、その他の種類の金属が第１種類の材料として選択されてもよい。
【００１５】
さらに、るつぼ１２には、気体供給路２０が設けられている。気体供給路２０は、るつぼ１２の上部側壁に設けられている。気体供給路２０は、第１種類の材料の溶湯１６が浸入しない高さに設けられていることが好ましい。気体供給路２０の一端は図１に示すようにるつぼ１２と連通しており、気体供給路２０の図示しない他端は、ポンプ等の気体供給機構（図示せず）に接続されている。気体供給路２０は図示しない気体供給機構によって供給されるガスをるつぼ１２内に導入する。本実施例ではエアによってるつぼ１２を加圧しているが、るつぼ１２の加圧媒体は、第１種類の材料と化学反応を起こさない窒素等の希ガスであってもよい。
【００１６】
鋳造装置１は、さらに、第２種類の材料の溶湯（図１では図示せず）を鋳造型４に注入するための注入手段２４を備えている。注入手段２４は、鋳造型４の上部注湯口７から第２種類の材料の溶湯を注入する。注入手段２４は、例えば、第２種類の材料の溶湯を保持するるつぼに接続されており、そのるつぼに備えられている注入機構の動作によって、第２種類の材料の溶湯を上部注湯口７から注入可能であってもよい。本実施例において、第２種類の材料は、第１種類の材料とは含有物が異なるアルミニウム合金である。しかしながら、第２種類の材料はこれに限定されない。鋳造品の設計に応じて、及び／又は第１種類の材料との金属的な融着の強度等に応じて、その他の種類の金属が第２種類の材料として選択されてもよい。例えば、エンジンの部品であるシリンダヘッドを鋳造する場合であれば、強度の必要な部分には剛性の高い材料を用いる一方で、その他の部分に比べて強度が必要とされない部分には、安価な材料を用いてもよい。この場合、製造コストを低減することができる。あるいは、鋳造品の部位毎に必要とされる特性を有する材料を適宜選択することができる。また、例えば、第１種類の材料が軽金属である場合には、第２種類の材料には、第１種類の材料と金属的に融着しやすい軽金属が採用されてもよい。
【００１７】
図２に、鋳造装置１を用いた鋳造工程を表わすフローチャートを示す。図３〜５は、鋳造工程の一過程を表わす。図６は、上記の一連の鋳造工程における経時的な加圧量の変化を示す。図２に示す鋳造工程の開始時には、るつぼ１２内の第１種類の材料の溶湯１６は適温で保持されており、るつぼ１２内は気体供給路２０からのエアによって特に加圧されていないものとする（図１を参照）。
【００１８】
ステップＳ２では、るつぼ１２内を加圧して、鋳造型４に第１種類に材料の溶湯を所定量注入する。このステップでは、図示しない気体供給機構が駆動され、気体供給路２０からエアがるつぼ１２に供給され、図６の（ａ）に示すように、るつぼが加圧される。気体供給路２０からるつぼ１２にエアが導入されると、るつぼ１２内部の昇圧によって、るつぼ１２内の第１種類の材料の溶湯１６の液面が押し下げられる。これにより、ストーク１４内の第１種類の材料の溶湯１６は上方へと押し上げられ、図３に示すように、下部注湯口９を介して鋳造型４の成形キャビティ１０へと注入される。このとき、成形キャビティ１０には、例えば成形キャビティ１０の容量の約半分等の、成形キャビティ１０の容量よりも少ない量の第１種類の材料の溶湯１６が注入される。ステップＳ２で所定量の溶湯１６が注入されると、ステップＳ４では、るつぼ１２内の圧力を維持する。即ち、気体供給路２０からの気体（エア）の導入量を制御することで、鋳造型４に注入された溶湯１６を成形キャビティ１０内に保持するために必要な量の圧力をるつぼ１２に印加し続ける。なお、図６の（ｂ）に示される上記の圧力状態は、ステップＳ１０が開始されるまで維持される。
【００１９】
ステップＳ６では、図４に示すように、鋳造型４の上部注湯口７から、第２種類の材料の溶湯２２を所定量注入する。第２種類の材料の溶湯２２は、注入手段２４によって成形キャビティ１０内に注入される。成形キャビティ１０内には、第２種類の材料の溶湯２２の層と第１種類の材料の溶湯１６の層が成層される。また、このステップでは、成形キャビティ１０の未充填容量にほぼ等しい量の溶湯２２が注入される。第２種類の材料の溶湯２２の注入が終了すると、ステップＳ８では、図５に示すように、鋳造型４の上部注湯口７を封止栓２６によって封止する。
【００２０】
ステップＳ１０では、るつぼ１２をさらに加圧する（図６の（ｃ）を参照）。このステップでは、図示しない気体供給機構がさらに駆動され、ステップＳ４から維持していた量よりも多量の気体が、気体供給路２０からるつぼ１２に供給される。このことにより、るつぼ１２内部はさらに昇圧され、ストーク１４内に保持されていた第１種類の材料の溶湯１６を成形キャビティ１０へと押し込む力が増大する。即ち、成形キャビティ１０内にかかる圧力が増大する。なお、上記の圧力が印加されている状態であっても、成形キャビティ１０の内部が先のステップで注入した第１種類の材料の溶湯１６と第２種類の材料の溶湯２２で満たされているときには、第１種類の材料の溶湯１６が新たに注入されることはない。
【００２１】
ステップＳ１２では、図６の（ｄ）に示されるように、再加圧された後のるつぼ１２内の圧力を維持する。そして、ステップＳ１４では、るつぼ１２内の圧力を維持した状態で所定時間が経過したか否かが判断される。上記の所定時間には、溶湯１６と溶湯２２の材料や温度、鋳造品の大きさ等に応じて、溶湯１６と溶湯２２を凝固させるために必要な時間を設定することができる。この過程において、成形キャビティ１０内の溶湯１６と溶湯２２が凝固すると、成形キャビティ１０内の材料の容量が若干減少する。このような成形キャビティ１０内の材料の容量の減少が生じると、ステップＳ１０において加えられ、かつ、そのままに維持されている圧力によって、減少した量とほぼ同量の第１種類の材料の溶湯１６が成形キャビティ１０内に注入される。即ち、上記の一連の過程において、成形キャビティ１０内の溶湯１６と溶湯２２の減少した容量を補充することができる。
【００２２】
鋳造型４の成形キャビティ１０を密封加圧状態にしてから所定時間が経過していない場合（ステップＳ１４でＮＯ）には、ステップＳ１２からステップＳ１４までの処理を再度繰り返す。この一方で、所定時間が経過した場合（ステップＳ１４でＹＥＳ）には、図示しない気体供給機構を停止させ、るつぼへの加圧を解除して、凝固した鋳造品を鋳造型４から取り出す（Ｓ１６）。
【００２３】
上記の鋳造方法では、（ａ）で示す期間（ステップＳ２に相当）と（ｃ）で示す期間（ステップＳ１０に相当）の、２段階の加圧処理が実施される。図６に示されるように、本実施例では、（ａ）の期間の単位時間毎の加圧量が（ｃ）の期間の単位時間毎の加圧量よりも多い場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。（ａ）の期間と（ｃ）の期間の加圧が一律の増加率で行われてもよいし、（ｃ）の期間の圧力の増加率が（ａ）の期間の圧力の増加率よりも大きくてもよい。さらに、本実施例では（ｄ）の期間（ステップＳ１２〜１４に相当）中の圧力を一定に維持しているが、鋳造する材料の凝固特性等に応じて、圧力を増減する制御を実施してもよい。
【００２４】
完成した鋳造品には、良好に融着した状態で第１種類の材料と第２種類の材料が積層されている。また、完成した鋳造品には、凝固過程における凝縮による形状の変形が生じない。上記の一連のステップによって、高品質な鋳造品を容易に成形することができる。また、上述したように、本実施例の鋳造装置１を用いると、第１種類の材料と第２種類の材料には、完成した鋳造品に必要とされる強度や性質等に応じて適切な材料を選択して用いることができる。鋳造品の設計の自由度を高めるとともに、鋳造にかかるコストを削減することができる。
【００２５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】鋳造装置の概略構成を表わす図である。
【図２】鋳造工程の概略を表わすフローチャートである。
【図３】鋳造工程の一過程の様子を表わす図（１）である。
【図４】鋳造工程の一過程の様子を表わす図（２）である。
【図５】鋳造工程の一過程の様子を表わす図（３）である。
【図６】るつぼの加圧量の経時的変化の概略を表わす図である。
【符号の説明】
【００２７】
１：鋳造装置
４：鋳造型
６：上型
７：上部注湯口
８：下型
９：下部注湯口
１０：成形キャビティ
１１：鋳造型支持板
１２：るつぼ
１４：ストーク
１４ａ：上端
１４ｂ：下端
１６：第１種類の材料の溶湯
１８：保持炉
２０：気体供給路
２２：第２種類の材料の溶湯
２４：注入手段
２６：封止栓
２８：鋳物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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